黃金時代就要來了嗎?世界上最薄的黃金曝光了!

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金箔是一種極薄的黃金薄片,常用於裝飾甜點以提升奢華感,其厚度約為10-7米。隨著科技進步,材料科學家合成了僅一原子層厚的金箔片,稱為Goldene,這是一種二維材料,又被稱為石墨稀的金黃表兄弟。Goldene是一種半導體材料,能幫助精確控制電流,滿足奈米電子元件需求,而且其巨大的表面積使其成為優異的催化劑,可降低化學反應活化能。瑞典林雪平大學發展出防止Goldene捲曲的方法,但製備過程相當耗時,若要大規模生產仍有難度。未來,隨著製備技術的完善,Goldene將在奈米元件和催化領域發揮更大作用,讓我們一起過上一個真正的「黃金時代」。

撰文|黃鼎鈞

金箔是一種黃金薄片,由於黃金的高度延展性,可以透過錘打黃金使其變為薄片,常被用來裝飾甜點,提升食物的奢華感。它的厚度約在10-7米左右,那麼金片到底可以有多薄呢?隨著科學技術的進步,材料科學家已經能合成出僅一原子層厚度的金箔片,這種二維材料被稱為Goldene。在2024年4月份的《Nature Synthesis》期刊上,Goldene又被稱為石墨烯的「表兄弟」。

圖1:Goldene示意圖|來源:DALL-E AI

 

從導體變成半導體,惰性金屬變催化高手

當石墨變成二維結構的石墨烯時,其電性產生了劇烈的變化,在特定情況下,導電度可以提升一萬倍以上;同樣地,當黃金變成二維結構Goldene時,也產生了巨大的變化,不同的是,它反而從導體變成了半導體,成為奈米元件的應用材料。

這種變化主要來自於庫倫阻塞效應 (Coulomb Blockade Effect),當導電體的體積變得足夠小,電子之間的距離變得非常近,因而產生斥力,導致電子移動時需要克服一定的能量障礙,因此需要外加電場才能驅動電流。想像一下,電子在導體中就像跑車在高速公路上馳騁,但若車輛太密集,跑車也會塞車,無法自由行駛,這就是電子在Goldene中的困境。

此外,在這種電子系統中,還會產生電子振盪,這現象描述了電子隨著施加的電壓產生週期性的流動,就像高速公路的匝道管控,電子會以特定的節奏通過導電體,藉由庫倫阻塞效應和電子振盪,我們可以在Goldene上精確控制電流,以滿足奈米電子元件的需求。

除了電性的轉變之外,黃金原本屬於惰性金屬,不易與其他化學元素反應,但在微觀世界中,奈米級的金卻成為具有優異催化能力的材料。催化作用指的是自身不被消耗,卻能降低反應的活化能,提供不同的反應路徑,使化學反應更易發生的效果。過去的研究發現,奈米金粒可以催化一氧化碳及揮發性有機化合物的反應,有助於清除有害氣體,減少空氣汙染,還能進行水分解,產生氫氣能源,減少對化石燃料的依賴。Goldene具有更大的表面積,預期會有比奈米金粒更優異的催化效果。

 

如何製作Goldene?

早在2015年,就有理論計算預測二維薄金Goldene的存在,並指出其性質穩定且堅固,然而,大多數研究得到的Goldene卻容易捲曲,無法像石墨烯一樣成為穩定平坦的薄膜,主要原因是製備過程中Goldene受到不均勻的損傷,使結構中殘留應力,導致聚集現象。2024年,瑞典林雪平大學 (Linköping University) 發展出一套製備方法來防止Goldene捲曲,這項研究登上了《Nature Synthesis》期刊。首先,他們在SiC基板上生長Ti3SiC2膜,通過磁控濺射沉積一層金。接著,將這些膜在高溫下退火,讓金滲透進入Ti3SiC2膜,形成Ti3AuC2。然後,使用Murakami試劑和表面活性劑(如CTAB和半胱氨酸)進行化學選擇性蝕刻,去除Ti3C2層並釋放出單原子厚的金層,且表面活性劑有助於穩定金層,防止捲曲。不過,這個蝕刻過程需時至少一週,增加了一定的製備困難度,難以大規模生產。

圖2:Goldene的製備過程|來源:參考資料2

隨著科技的進步,金箔將不僅僅用於提升甜點的奢華感,它將變得更薄,成為奈米元件中的重要半導體材料。當黃金二維化成為Goldene時,它將從導體轉變為半導體,並從惰性金屬轉變為優異的催化劑。期待未來科學家克服Goldene製備的困難,以至於黃金能被應用至所有的科技工業裝置之中,我們的生活或將充滿黃金,進入真正的「黃金時代」。

 


參考文獻

  1. Sharma, S., Pasricha, R., Weston, J., Blanton, T., & Jagannathan, R. (2022). Synthesis of Self-Assembled Single Atomic Layer Gold Crystals-Goldene. ACS Applied Materials & Interfaces, 14, 54992 - 55003.
  2. Kashiwaya, S., Shi, Y., Lu, J. et al. Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold. Nat. Synth 3, 744–751 (2024).

 


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